Конструкторская часть

 

4.3.1 В подразделе “Выбор и обоснование конструкции устройства ” на основе анализа элементной базы и в зависимости от сложности ПП необходимо выбрать тип, конструкцию, класс точности ПП по плотности монтажа и габаритные размеры печатной платы, материал основания печатной платы и его толщину, способ установки и закрепления элементов на плате, способ установки печатной платы по месту эксплуатации, способы защиты от климатических и механических воздействий.

Результатом данного этапа работы является эскиз печатной платы с нанесенной на него координатной сеткой, выполненный в масштабе 2: 1, с указанием посадочных мест электрорадиоэлементов, функциональных элементов и электрического соединителя, места установки ручки, зон для направляющих (на которых нельзя устанавливать электроэлементы и проводить трассы) и трасс. При этом габаритные размеры печатной платы должны соответствовать рекомендациям ГОСТ 10317–79 или рекомендациям системы «Евромеханика» (100+44, 45) мм × (100+60) мм.

 

Подсказка (4.3.1.1 – 4.3.1.5)

4.3.1.1 Печатные платы

Печатная плата является основным конструктивным элементом цифровых устройств.

Применение печатного монтажа позволяет получить следующие преимущества:

- уменьшение габаритов, массы, увеличение плотности монтажа;

- повышение надежности за счет уменьшения общего числа паяных соединений;

- отсутствие монтажных ошибок и высокую идентичность электрических и конструктивных параметров;

- возможность автоматизации производства, включая травление, сверление отверстий, сборку, пайку и контроль;

- высокую производительность и низкую себестоимость в условиях серийного производства.

В качестве недостатка следует отметить трудность, а иногда и невозможность ремонта, высокую себестоимость в условиях индивидуального производства за счет высокой стоимости оснастки и инструмента, а также зависимость надежности межслойных соединений от техники их выполнения.

При отработке конструкций плат часто возникает необходимость во внесении изменений, что приводит к изменению всего цикла проектирования. В условиях опытного производства даже при выпуске небольших серий цифровых устройств стоимость печатных плат становится необоснованно высокой. В этом случае можно рекомендовать к разработке конструкции, в которых выгодно сочетались бы преимущества объемного и печатного монтажа.

В зависимости от числа слоев проводников ПП бывают односторонние (ОПП), двухсторонние (ДПП ) и многослойные (МПП).

ОПП имеют низкую стоимость, высокую надежность и просты в изготовлении. Компоненты устанавливаются на стороне платы, свободной от монтажа, и корпусом могут касаться или даже приклеиваться к плате. Выводы компонентов устанавливаются в монтажные отверстия и подпаиваются к контактным площадкам. К недостаткам ОПП следует отнести низкую плотность компоновки и низкую трассировочную способность. Поэтому установка ЭРЭ высокой функциональной сложности на ОПП крайне ограничена. Нежелательные пересечения можно избежать использованием (ДПП).

В ДППпечатные проводники располагаются на обеих сторонах платы. Электрическая связь между проводниками разных сторон осуществляется с помощью переходных отверстий, использование которых позволяет при отсутствии ограничений на размеры платы реализовать любую схему устройства. Установка компонентов может выполняться с обеих сторон платы, но обязательно с введением зазора между основанием платы и корпусом компонента. Использование ДПП позволяет повысить плотность монтажа. В качестве недостатка следует отметить уменьшение надежности за счет введения в конструкцию переходных отверстий и увеличение стоимости.

Использование МПП позволяет в еще большей степени уменьшить габариты, массу, увеличить плотность монтажа и за счет уменьшения общего числа паяных соединений повысить надежность аппаратуры в целом. Число слоев многослойной печатной платы диктуется сложностью реализуемой схемы. В каждом слое платы группы проводников выполняют определенные функции — цепи питания, земли, сигнальные цепи. В МПП обычно имеется несколько слоев, несущих сигнальные цепи. Введение в конструкцию сплошного слоя питания и земли позволяет развязывать цепи питания по переменному току. Для предотвращения замыкания проводникового материала переходных отверстий на слои питания и земли фольга вокруг этих отверстий удаляется. В пределах одного устройства количество проводников в каждом слое, а также число слоев меняются от платы к плате. Сигнальные цепи МПП стараются разместить на наружных сторонах платы, а цепи питания и земли — на внутренних слоях. Подобный подход в некоторой степени обеспечивает ремонтопригодность плат.

В качестве недостатков многослойного печатного монтажа следует отметить сложность технологии, высокую стоимость, низкую ремонтопригодность, увеличение паразитной связи между сигнальными цепями из-за уменьшения расстояний между ними.

При конструировании печатных плат решаются на основе анализа технического задания (ТЗ), в котором указаны назначение, область применения, условия эксплуатации и хранения разрабатываемого устройства и разработанного подраздела 1.1 пояснительной записки следующие задачи:

- выбор числа слоев, проводниковых и изоляционных материалов, формы и размеров печатных плат, способов установки компонентов, класса точности печатных плат, элементов электрического соединения и элементов фиксации ячейки в модулях более высокого конструктивного уровня;

- определение ширины, длины и толщины печатных проводников, расстояний, между ними, диаметров монтажных и переходных отверстий, контактных площадок;

- размещение электрорадиоэлементов и компонентов на ПП;

- трассировка печатного монтажа;

- защита от дестабилизирующих факторов;

- оформление конструкторской документации.

В большинстве случаев унифицированные конструкции стационарной и бортовой аппаратуры полностью определяют размеры и форму разрабатываемых для них плат. Квадратная и прямоугольная форма платы с соотношением сторон 1: 2, 2: 3, 3: 5 с минимальным количеством вырезов по контуру и отверстий является наиболее экономичной в производстве. Значительное уменьшение производственных затрат будет иметь место, если в одном устройстве используются платы одинаковой формы и размеров.

Для быстродействующей аппаратуры ограничения на максимальную длину печатного проводника зависят от допустимой задержки сигнала. Наиболее длинная связь будет иметь место между компонентами, расположенными диагонально в углах прямоугольной платы. Полагая, что суммарная длина и ширина платы не должны превышать максимально допустимую длину проводника, и задаваясь соотношением сторон прямоугольной платы, можно определить ее размеры.

В аппаратуре среднего быстродействия и медленнодействующей, когда задержка в соединениях не сказывается на работе устройств и блоков, размеры платы будут определяться числом устанавливаемых электронных и вспомогательных компонентов, их габаритными и установочными размерами и способом установки.

Окончательное решение о размерах принимается после размещения на поверхности платы вспомогательных конструктивных компонентов.

 

4.3.1.2 Выбор варианта конструкции печатного узла (ячейки)

Выбор варианта конструкции печатного узла (ячейки) связан с вариантом конструкции блока, в котором он будет устанавливаться. Существует три основных варианта конструкции блока: разъемная, книжная и кассетная. Конструктивно ячейки разделяются по различиям в несущих конструкциях: рамочное или безрамочное исполнение. При использовании системы базовых несущих конструкций (БНК) ячейки выполняются на основе унифицированного ряда ПП.

 

4.3.1.3 Выбор конструктивных решений по защите от дестабилизирующих факторов

Выбор конструктивных решений по защите от дестабилизирующих факторов зависит от группы аппаратуры (таблица 3), значений механических воздействующих факторов по классам аппаратуры (таблица 4) и учета влияния дестабилизирующих факторов на ПП (таблица 5) /1/.

 

Таблица 3

Группа аппаратуры

Дестабилизирующие факторы

Виброустойчивость

Удароустойчивость

Устойчивость к повы-шенной температуре

Устойчивость к пони-женной температуре

Устойчивость к изме-нению температуры

Влагоустойчивость

Устойчивость к возникновению инея и росы

Устойчивость к абра-зивной пыли

Устойчивость к соле-ному туману

Плеснестойкость

Спцифические требования

Стационарная

При транспортировке

+

+

+

+

Возимая

+

+

+

+

+

+

+

+

Носимая

+

+

+

+

+

Бытовая

Морская

+

+

+

+

+

+

+

+

Самолетная

+

+

+

+

+

Ракетная и космическая

+

+

+

+

Высот-ность

 

Таблица 4 Обобщенные значения механических факторов

Воздействующий фактор	Класс ЭА
Наземная	Морская	Бортовая
Вибрация: частота, Гц ускорение, g	10…70 1…4	0…120 1, 5…2	5…2000 До 20
Многократные удары: ускорение, g длительность, мс	10…15 5…10	5…10	6…12 До 15
Одиночные удары: ускорение, g длительность, мс	50…1000 0, 5…10	До 1000 0, 5…2	- -
Линейное ускорение, g	2…5	-	4…10
Акустические шумы: уровень, дБ частота, Гц	85…125 50…1000	75…140 50…1000	130…150 50…1000

 

Таблица 5 Влияние дестабилизирующих факторов на ПП

Воздействую-щий фактор	Ускоряемые деградационные процессы	Способы предотвращения влия-ния воздействующих факторов
Высокая температура	Расширение, размягчение, деформация ПП	Применение нагревостойких материалов. Выбор минимальных размеров печатных плат.
Уменьшение нагрузочной способности по току	Увеличение ширины и толщины проводников
Высыхание и растрескивание защитных покрытий	Выбор покрытия, устойчивого к высокой температуре
Тепловой удар	Механические напряжения в местах контактирования материалов с разными ТКЛР (основание ПП – проводники – места пайки)	Выбор материала ПП с ТКЛР (температурными коэффициен-тами линейного расширения), близким к меди
Низкая температура	Уменьшение нагрузочной способности по току; электрохимическая коррозия проводников	Увеличение ширины и толщины проводников; выбор материалов ПП, устойчивых к низким температурам
Высокая относительная влажность	Снижение сопротивления изоляции, набухание материала ПП, коррозия проводников	Выбор влагостойких материалов ПП, применение защитных лако-красочных покрытий, герметизация ячеек
Низкое атмосферное давление	Снижение пробивного напряже-ния, ухудшение условий тепло-обмена	Увеличение ширины и толщины проводников и расстояния между ними
Песок и пыль	Абразивный износ, в том числе контактов. Увеличение емкости проводников. Химическое и электрохимическое разрушение ПП при наличии влаги	Выбор материала с хорошими диэлектрическими свойствами. Увеличение ширины и толщины проводников и расстояния между нимия. Герметизация
Солнечная радиация	Разрушение поверхности ПП. Уменьшение поверхностной электрической прочности	Выбор материала с хорошими диэлектрическими свойствами. Герметизация
Соляной туман	Коррозия проводников	Герметизация
Вибрации	Механические напряжения. Нарушение электрических контактов	Отстройка ПП от резонанса в диапазоне воздействующих час-тот. Повышение механической жесткости и прочности ПП
Удары, линейное ускорение	Механические напряжения. Нарушение электрических контактов. Разрушения	Повышение механической жесткости и прочности ПП
Плесневые грибы	Снижение удельных поверхно-стного и объемного сопротивле-ний материала ПП. Коррозия металлов. Разрушение низкомо-лекулярных материалов. Отсла-ивание лакокрасочных покрытий	Применение горячих операций на начальных стадиях ТП. Чистота рук и воздуха. Приме-нение материалов со специи-альными свойствами. Обработка ПП продуктами метаболизма

 

4.3.1.4 Выбор класса точности ПП

Такие конструктивно-технологические параметры печатных плат, как минимальная ширина печатных проводников, минимальное расстояние между печатными проводниками, минимальное расстояние между контактными площадками, минимальное расстояние между проводником и контактной площадкой, максимальное отклонение расстояний между центрами монтажных отверстий зависят от плотности печатного монтажа платы.

Выбор класса точности ПП по плотности монтажа в соответствии с ГОСТ 23751 – 86, который устанавливает пять классов точности, необходим для обеспечения высокой технологичности конструкции ПП и производится в соответствии с рекомендациями таблицы 6. Печатные платы 1 и 2 классов точности наиболее просты в исполнении, надежны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость; для ПП 3 класса точности необходимо использовать высококачественные материалы, более точный инструмент и оборудование; для ПП 4 и 5 классов – специальные материалы, прецизионное оборудование, особые условия при изготовлении /1/.В настоящее время можно изготавливать ПП по 6 и 7 классам точности – это высокоплотные ПП, для которых нужны специальные конструкции, материалы и технологическое оснащение.

ГОСТ 23751–86 определяют ширину проводников и расстояние между ними в узких местах:

1-й класс – 0.75 мм – платы с наименьшей плотностью монтажа;

2-й класс – 0.45 мм – платы со средней плотностью монтажа;

3-й класс – 0.25 мм – платы с повышенной плотностью монтажа;

4-й класс – 0.15 мм – платы с высокой плотностью монтажа;

5-й класс – 0.10 мм – платы с очень высокой плотностью монтажа.

В настоящее время можно изготавливать ПП по 6 и 7 классам точности с шириной проводников от 70 до 40мкм.

 

Так как для разрабатываемой аппаратуры требование минимальных габаритов и масс не является основным, то рекомендуется выбирать второй или третий класс печатной платы по плотности монтажа, так как с увеличением плотности монтажа увеличивается трудоемкость работ и затрат на изготовление. Таким образом можно задаться минимальной шириной проводника b_техн = 0.45 мм или b_техн = 0.25 мм соответственно.

Так как различные методы изготовления печатных плат отличаются друг от друга в том числе и точностью изготовления, то ПП четвертого и пятого классов по плотности монтажа необходимо изготовливать полуаддитивным методом.

 

4.3.1.5 Материалы для изготовления печатных плат

 

Выбор материала основания ПП зависит от:

-условий эксплуатации и предполагаемых механических воздействий;

- класса точности ПП;

- реализуемых электрических функций (частотный диапазон);

- метода изготовления ПП;

- стоимости.

При выборе материала следует учитывать метод изготовления ПП, надежность контактных соединений, прочность сцепления печатных проводников с основанием.

Затем подобрать марку материала, учитывая и экономические соображения. Наиболее дешевыми материалами с удовлетворительной обрабатываемостью и хорошими характеристиками в нормальных условиях являются гетинаксы. При повышенной влажности и тепловых воздействиях целесообразно использовать более дорогие, но обладающие лучшими эксплутационными характеристиками стеклотекстолиты. При высоких температурах применяют силиконовые стеклопластики.

Фольгированные диэлектрики представляют собой электроизоляционные основания, плакированные обычно электролитической медной фольгой с оксидированным гальваностойким слоем, прилегающим к основанию. Стандартная толщина фольги – 5, 20, 35 и 50 мкм. Фольгированные диэлектрики используют при субтрактивных методах изготовления печатных плат и слоев МПП. Нефольгированные диэлектрики, предназначенные для полуаддитивного и аддитивного методов производства печатных плат, имеют на поверхности специально нанесенный адгезийный слой толщиной 50 – 100 мкм (например, эпоксикаучуковой композиции), который служит для лучшего сцепления наносимой химической меди с диэлектриком.

При выполнении курсового проекта ограничимся следующими материалами, представленными в таблице 7.

 

Таблица 7

		Толщина
Вид материала	Марка материала	Фоль-ги, мкм	материала с фольгой, мм	Область применения
Фольгированный гетинакс	ГФ-1-35 ГФ-2-35		1.0; 1, 5; 2, 0; 2.5; 3, 0	ОПП, ДПП
Фольгированный стеклотексто­лит (односторонний и двухсторонний)	СФ-1(2)-35(50)	35, 50	0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 0; 2, 5; 3, 0	ОПП, ДПП
Нефольгированный стеклотексто­лит	СТЭК	—	1, 0; 1, 5; 2, 0	ДПП, изготов­ленные элект-рохи­мическим методом
Теплостойкий фольгированный стеклотекстолит	СТФ-1(2)		0, 08 0, 1; 0, 13; 0, 15; 0, 20; 0, 25; 0, 35; 0, 50; 0, 80; 1, 00; 1, 5; 2, 00; 2, 50; 3, 00	ДПП, МПП, ГПП
Травящийся фольгированный стеклотекстолит	ФТС-1(2)-18А ФТС-1(2)-35А		0, 10; 0, 12; 0, 14; 0, 15; 0, 23; 0, 50	МПП, ГПП
Тонкий фольгиро-ванный диэлект­рик	ФДМ-2		0, 15; 0, 25; 0, 35	ГПП
Прокладочная стеклоткань	СПТ-3	—	0, 025; 0, 060; 0, 1	МПП

 

 

4.3.2 В конструкторской части в подразделе “Выбор способа компоновки устройства” описываются способы компоновки цифровых устройств и выбирается оптимальный, удовлетворяющий требованиям технического задания и возможностям разработчика конструкции /1/.

 

Разработка конструкции устройства выполняется с учетом конкретной технологии изготовления и условий эксплуатации изделия в следующей последовательности:

-анализируется схема электрическая принципиальная, устанавливаются габаритные и установочные размеры электроэлементов и компонентов;

-выбираются соединители для печатного узла;

-анализируется устройство на возможность его перегрева;

-разрабатывается конструкция устройства (в данном курсовом проекте в виде типового элемента замены - ТЭЗа);

-трассируется печатный монтаж с учетом рекомендаций по устранению паразитных связей и помех;

-выбираются конструкционные материалы;

-разрабатываются детали изделия;

-обеспечивается защита ТЭЗа от внешних воздействий;

-разрабатываются сборочные чертежи и рабочие чертежи деталей.

Разрабатывая конструкцию, постоянное внимание необходимо уделять вопросам технологии обработки и сборки деталей, сокращению себестоимости с учетом требуемой программы выпуска и условий эксплуатации изделия, легкости обнаружения неисправностей и простоте обслуживания и ремонта, устойчивости и точности параметров изделия, повышению надежности и долговечности.

 

В основу разработки современной ЭВА положен модульный принцип конструирования, основывающийся на функционально-узловом методе проектирования. Основная задача конструкторского проектирования заключается в реализации схемы изделия в виде конструктивно законченных модулей, которые могут быть разной сложности. В курсовом проекте разрабатывается ТЭЗ - модуль первого уровня.

В соответствии с ГОСТ 23751-79 различают три способа выполнения компоновочных эскизов печатных плат: ручной, полуавтоматизированный и автоматизированный. При ручном методе размещение навесных элементов и трассировка осуществляется вручную. При полуавтоматизированном методе один из этапов (размещение элементов или трассировка) выполняется вручную, а второй – с помощью ПЭВМ. При автоматизированном методе размещение элементов (компоновка) и трассировка выполняются на ЭВМ с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) ПП.

САПР ПП представляет собой сложный комплекс программ, применяемый для автоматизации проектирования и подготовки производства ПП, начиная с прорисовки Э3, размещения ЭРЭ, трассировки соединений и заканчивая выводом на печать конструкторской и технологической документации на ПП и разработкой управляющих файлов для сверлильно-фрезерных станков, фотоплоттеров, фотокоординатографов. САПР ПП являются сквозными системами проектирования. При выполнении курсового проекта рекомендуется размещение и трассировку выполнять в САПР P-CAD, а авторазмещение и автотрассировку - с ипользованием программы SPECCTRA, в результате которых создается исходный файл для получения управляющих файлов для изготовления фотошаблонов, сверления отверстий и др.